CAD/CAE集成的三偏心蝶阀参数化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津工业大学机械电子学院 作者:陈晓霞

  抽取影响蝶阀性能的几何参数,建立参数化模型,在Solidworks环境中利用VBA实现了蝶阀零件的参数化建模。将模型导入有限元分析环境,实现了CAD/CAE 的集成。有限元计算表明,参数化模型可以实现不同参数几何模型的快速重构,为数字化设计和方案优化提供了可能。

  蝶阀被广泛应用于管道系统,特别是其他控制阀难以满足的大口径管道控制系统。近年来,随着现代工业的发展,蝶阀的使用已从低压供水扩展到高温,或者低温介质,压力也从低到高,广泛用于空分、化工、冶金、污水处理等领域。而且口径越来越大,性能要求不断提高,寿命要求不断延长。三偏心蝶阀,在相同的工况条件下,具有摩擦力矩小、阀轴承受的力矩小、可满足更高的工艺要求等特点。三偏心金属密封蝶阀阀座的密封形线周长是随角度偏心增加而增加,能满足较高的温度和压力工况,但金属阀座的弹性小,密封性能较差。同时三偏心结构蝶阀的空间运动较为复杂,常常因结构寸设计不合理,导致密封副相互卡塞、干涉而使蝶板不能正常启闭。传统设计由于计算理论粗糙,设计理念保守,造成结构笨重,结构设计不合理,使用寿命短,同时性能提高困难等问题的困扰。

  利用计算机辅助设计(CAD)计算机辅助分析(CAE)技术,对产品的运动干涉、强度、刚度等各项性能进行评价和优化,使企业在新产品的开发和旧产品的改造过程中,缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本,从而提高了企业竞争能力。参数化建模是CAD/CAE 设计中一项非常重要的关键技术[1,5-7] 。采用参数化模型,设计者可以通过调整参数来修改和控制产品的几何形状,实现产品的精确的数字化几何造型[2] ;对己有设计的修改,只需变动相应参数,而无需重复产品设计的全过程,提高了设计效率,缩短设计周期[3-4]

  基于SolidWorks 平台,开发了三偏心蝶阀的三维参数化设计系统,实现三偏心蝶阀的参数化设计。利用Workbench 软件提供的有限元分析功能实现了参数化模型的有限元分析和性能评价,为设计者提供了设计产品和评估产品性能的支撑环境,在设计阶段就可以对阀门整机进行各种性能分析评价,包括强度、启闭性能和密封性能等,以达到在实际产品开发出来之前,能及早发现产品的设计问题,并不断提升阀门的各项性能。

1、结构特点和面临的关键问题

  三偏心结构的密封副为一对斜圆锥面,其结构如图1 所示。其蝶板由圆锥斜切而成,阀座是与碟板锥度相同的内锥面,圆锥角为A2。3 个偏心分别为:蝶板回转中心相对于通径轴线的径向偏心E1、蝶板回转中心相对于阀座中面的轴向偏心E2 以及圆锥面轴线相对于通径轴线的角度偏心A1;同时圆锥轴线与阀座中面的交点相对于通径轴线之间有径向偏心E3。

  由于三偏心蝶阀特殊的构造和复杂的三维几何关系,它的传统设计过程非常麻烦,一个合格的设计方案需要许多次的设计验算才能找到。特别是,它的各项性能与主要几何参数之间的关系,到目前为止尚未解决。利用计算机辅助设计(CAD)技术就可以大大简化三偏心蝶阀的设计过程,并将设计方案的验算和检查通过计算机来实现,减轻设计人员负担。同时,利用计算机辅助分析(CAE)技术可以进行设计方案的应力分析和强度设计,使设计方案满足设计规范的条件下结构更加合理。

 蝶阀密封结构简图

图1 蝶阀密封结构简图

  利用CAD 和CAE 软件集成,对三偏心蝶阀进行实际使用工况条件下的仿真试验,对其密封性能、启闭性能及其主要部件的强度、刚度等在设计阶段进行分析、比较和仿真模拟,指导实际产品设计,并不断对影响性能的几何参数进行改进和优化,使数字化设计阶段的设计模型性能不断改善,彻底摆脱基于经验的传统设计模式。

4、结束语

  基于CAD/CAE 集成的参数化设计和有限元建模,利用VBA 技术提供了三偏心蝶阀的参数化设计和计算仿真分析的一体化方案。不仅实现了三偏心蝶阀的参数化零件三维设计,同时实现了产品的有限元分析和性能评价。与传统的产研发过程相比,本文方法为产品性能评价和改善提供了一种廉价高效的途径,可以作为实物产品模型性能试验的补充和扩展,大大节约产品研发费用,缩短新产品研发周期。其研究方法有一定的实用价值。

参考文献

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